Regulació de l'heterocromatina constitutiva en condicions normals i d'estrès: Paper de SirT1 i d'HP1

Abstract

La sirtuïna 1 (SirT1), una desacetilasa depenent de NAD, promou la formació de l’heterocromatina facultativa (HF) desacetilant H4K16Ac, H3K9Ac i H1K26Ac i establint marcadors d’heterocromatina via interacció amb la histona metiltransferasa Suv39h1, un factor clau en l’organització de la cromatina. Però SirT1 també regula l’heterocromatina constitutiva (HC) depenent de Suv39h1 a través d’un mecanisme desconegut.

Considerant la importància de l’HC en l’organització i estabilitat de la cromatina global, i les seves implicacions funcionals en l’envelliment i la durada de la vida, definir si i com SirT1 ajuda a mantenir l'estructura de l’HC podria ser per a determinar les conseqüències durant la resposta a l'estrès en l'estabilitat del genoma. Per aquest motiu, en aquesta primera part de la tesi, ens vam centrar en entendre la connexió entre SirT1 i l’estructura de l’HC a través de l’estudi de la relació entre SirT1 i Suv39h1, ja que com s’ha comentat anteriorment, aquesta relació és crucial per la formació d’HC.

En el mecanisme que proposem entre SirT1 i Suv39h1 per entendre la relació funcional entre aquestes dues proteïnes a l’HC, SirT1 preserva l’estructura de l’HC a través de l’estabilització de Suv39h1 sota condicions d’estrès inhibint la poliubiquitinització, mediada per la ubiquitina lligasa E3 MDM2 (un factor molt important en el control de la resposta a estrès relacionat amb p53), a la lisina 87 del domini chromo de Suv39h1. Els nostres estudis suggereixen que l’augment dels nivells de Suv39h1 promou un augment de l’intercanvi d’aquest a l’HC. L’increment de la taxa de renovació de Suv39h1, observat al mutant K87 d’aquest, promou la integritat genòmica en condicions d’estrès genotòxic. Aquest mecanisme pot ser també molt important per l’HF en el contexte del programa d’expressió en resposta a estrès regulat per SirT1.

Una altra proteïna molt important en l’HC, en el manteniment i formació d’aquesta, és la proteïna estructural HP1, de la qual s’han descrit tres isoformes en mamífers: HP1α, HP1β i HP1γ. Curiosament comparada amb SirT1, HP1 també s’uneix a la regió N-terminal de Suv39h1, però contràriament, té una forta localització a HC. Aquesta observació ens va portar a desenvolupar la segona part del projecte centrada en entendre si el mecanisme observat entre SirT1 i Suv39h1 estava conservat dins del cor estructural de l’HC a través de la relació entre Suv39h1 i les isoformes d’HP1. Conseqüentment, aquest estudi ens va dirigir cap a la caracterització del paper de cadascuna de les isoformes d’HP1 en el manteniment de l’estructura de l’HC. Les qual s’han considerat, excepte en aspectes molt concrets, força similars. Sorprenentment, tot i la similitut entre les tres isoformes d’HP1, vam aportar una regulació diferencial sobre Suv39h1. De les isoformes d’HP1 existents a mamífers, dues d’elles HP1α i HP1γ, augmenten els nivells de Suv39h1 a través de la seva unió i regulació a la regió N-terminal d’aquest, com hem vist amb SirT1, inhibint la degradació per ubiquitinització i conseqüentment augmentant l’intercanvi de Suv39h1. El mecanisme a través del qual no està clar. HP1β sembla tenir un paper com a reservori respecte la regulació de Suv39h1 en condicions normals. Les isoformes d’HP1α i HP1γ també semblen incrementar la renovació de Suv39h1 per tal de mantener una adequada estructura de l’HC. Específicament, l’HP1β sería necessària en aquest augment sota l’efecte de l’estrès per garantitzar la integritat del genoma.

Tenint en compte el coneixement de l’HC, que és mínim, els nostres estudis s’han centrat en entendre l’estructura, a través de la caracterització del paper de les isoformes d’HP1, en condicions normals i d’estrès. Proposem un model en el qual situaríem predominantment HP1α, però també HP1γ, formant homo i heterodímers, en diferents regions del foci d’HC limitant l’expansió de la marca d’H4K20me3. En aquesta regió, Suv39h1 uniría a HP1α i a HP1γ i aquestes l’estabilitzarien. I en el centre d’aquestes regions localitzaríem HP1β que tindria més afinitat amb Suv420h2 formant homo i heterodímers amb HP1γ. En absència d’HP1α, la modificació H4K20me3 s’expandiria provocant una compactació a la cromatina.

Sirtuin1 (SirT1) is a NAD dependent deacetylase that promotes the formation of facultative heterochromatin via interaction with histone methyltransferase Suv39h1, a key factor in the organization of chromatin. But SirT1 also regulates the constitutive heterochromatin (HC) depending Suv39h1 through an unknown mechanism.

Considering the importance of the HC in the organization and stability of the global chromatin and its functional implications in aging and lifespan, define whether and how SirT1 helps keep the structure HC could be to determine the implications for the stress response in genome stability.

In the proposed mechanism between SirT1 and Suv39h1 to understand the functional relationship between these two proteins in the HC, SirT1 preserves the structure of the HC through the stabilization of Suv39h1 under stress conditions inhibiting polyubiquitination mediated by MDM2 at lysine 87 of the chromo domain of Suv39h1. The increase in available Suv39h1 is associated with a faster renewal of the HC and increased protection of genomic integrity in these conditions.

Another important protein in the HC, maintenance and training for this, which also binds to the N-terminal region of Suv39h1 is heterochromatin protein1 (HP1) which has a strong localization in HC. Therefore, we focused on studying the relationship between Suv39h1 and three HP1 isoforms found in mammals: HP1α, HP1β and HP1γ. Surprisingly, despite the similarity, we observed a differential regulation of Suv39h1. HP1α and HP1γ, increase the levels of Suv39h1 through its binding and regulation by the N-terminal region that inhibits degradation by polyubiquitination and consequently increasing the exchange of Suv39h1 to maintain an adequate structure of the HC. The mechanism through which is unclear. HP1β would be necessary, in this increase, under the effect of stress.

This study led to the characterization of the role of each of the HP1 isoforms in maintaining the structure of the HC. We propose a model which would place predominantly HP1α, but also HP1γ in different regions of foci of HC limiting the expansion of the H4K20me3 mark. In this region, would interact Suv39h1. And the center, HP1β would have more affinity with Suv420h2, where also would find HP1γ.